Habituellement, les planètes des systèmes planétaires évolués, tels que le système solaire, suivent des orbites stables autour de leur étoile centrale. Cependant, de nombreuses indications suggèrent que certaines planètes pourraient quitter leur lieu de naissance au début de leur évolution en migrant vers l'intérieur ou vers l'extérieur.
Cette migration planétaire pourrait également expliquer une observation qui laisse perplexe les chercheurs depuis plusieurs années :le nombre relativement faible d’exoplanètes d’une taille environ deux fois plus grande que la Terre, connue sous le nom de vallée du rayon ou écart. À l’inverse, il existe de nombreuses exoplanètes plus petites et plus grandes que cette taille.
"Il y a six ans, une nouvelle analyse des données du télescope spatial Kepler a révélé une pénurie d'exoplanètes d'une taille autour de deux rayons terrestres", explique Remo Burn, chercheur en exoplanètes à l'Institut Max Planck d'astronomie (MPIA) à Heidelberg. Il est l'auteur principal de l'article rapportant les résultats présentés dans cet article, maintenant publié dans Nature Astronomy. .
"En fait, comme d'autres groupes de recherche, nous avions prédit, sur la base de nos calculs, avant même cette observation, qu'un tel écart devait exister", explique le co-auteur Christoph Mordasini, membre du Pôle national de compétence en recherche (PRN). PlanèteS. Il dirige la Division de recherche spatiale et de sciences planétaires de l'Université de Berne. Cette prédiction est née pendant son mandat de scientifique au MPIA, qui mène des recherches dans ce domaine conjointement avec l'Université de Berne depuis de nombreuses années.
Le mécanisme le plus souvent suggéré pour expliquer l'émergence d'une telle vallée de rayon est que les planètes pourraient perdre une partie de leur atmosphère d'origine en raison de l'irradiation de l'étoile centrale, en particulier des gaz volatils comme l'hydrogène et l'hélium. "Cependant, cette explication néglige l'influence de la migration planétaire", précise Burn.
Il est établi depuis environ 40 ans que, dans certaines conditions, les planètes peuvent se déplacer vers l'intérieur et vers l'extérieur à travers les systèmes planétaires au fil du temps. L'efficacité de cette migration et la mesure dans laquelle elle influence le développement des systèmes planétaires ont un impact sur sa contribution à la formation de la vallée du rayon.
Deux types différents d’exoplanètes habitent la gamme de tailles entourant l’espace. D’un côté, il y a les planètes rocheuses, qui peuvent être plus massives que la Terre et sont donc appelées super-Terres. D'un autre côté, les astronomes découvrent de plus en plus de soi-disant sous-Neptunes (également mini-Neptunes) dans des systèmes planétaires lointains, qui sont en moyenne légèrement plus grands que les super-Terres.
"Cependant, nous n'avons pas cette classe d'exoplanètes dans le système solaire", souligne Burn. "C'est pourquoi, encore aujourd'hui, nous ne sommes pas exactement sûrs de leur structure et de leur composition."
Pourtant, les astronomes s’accordent largement sur le fait que ces planètes possèdent des atmosphères nettement plus étendues que les planètes rocheuses. Par conséquent, comprendre comment les caractéristiques de ces sous-Neptunes contribuent à l’écart de rayon est incertain. Cet écart pourrait-il même suggérer que ces deux types de mondes se forment différemment ?
Planètes de glace errantes
"Sur la base des simulations que nous avons déjà publiées en 2020, les derniers résultats indiquent et confirment que l'évolution des sous-Neptunes après leur naissance contribue de manière significative à la vallée du rayon observée", conclut Julia Venturini de l'Université de Genève. Elle est membre de la collaboration PlanetS et a dirigé l'étude 2020.
Dans les régions glacées de leurs lieux de naissance, où les planètes reçoivent peu de rayonnement chauffant de l'étoile, les sous-Neptunes devraient en effet avoir des tailles manquantes dans la distribution observée. À mesure que ces planètes vraisemblablement glacées se rapprochent de l'étoile, la glace fond, formant finalement une épaisse atmosphère de vapeur d'eau.
Ce processus entraîne un déplacement des rayons des planètes vers des valeurs plus grandes. Après tout, les observations utilisées pour mesurer les rayons planétaires ne peuvent pas différencier si la taille déterminée est due à la seule partie solide de la planète ou à une atmosphère dense supplémentaire.
Dans le même temps, comme déjà suggéré dans la photo précédente, les planètes rocheuses « rétrécissent » en perdant leur atmosphère. Dans l'ensemble, les deux mécanismes produisent un manque de planètes d'une taille autour de deux rayons terrestres.
"Les recherches théoriques du groupe Bern-Heidelberg ont déjà fait progresser considérablement notre compréhension de la formation et de la composition des systèmes planétaires dans le passé", explique Thomas Henning, directeur du MPIA. "L'étude actuelle est donc le résultat de nombreuses années de travail préparatoire commun et d'améliorations constantes des modèles physiques."
Les derniers résultats proviennent de calculs de modèles physiques qui retracent la formation des planètes et leur évolution ultérieure. Ils englobent les processus dans les disques de gaz et de poussière entourant les jeunes étoiles qui donnent naissance à de nouvelles planètes. Ces modèles incluent l'émergence d'atmosphères, le mélange de différents gaz et la migration radiale.
"Les propriétés de l'eau aux pressions et températures présentes à l'intérieur des planètes et de leur atmosphère étaient au cœur de cette étude", explique Burn. Comprendre comment l’eau se comporte dans une large gamme de pressions et de températures est crucial pour les simulations. Ces connaissances n'ont été d'une qualité suffisante que ces dernières années. C'est cette composante qui permet un calcul réaliste du comportement des sub-Neptunes, expliquant ainsi la manifestation d'atmosphères étendues dans les régions plus chaudes.
"Il est remarquable de voir à quel point, comme dans ce cas, les propriétés physiques aux niveaux moléculaires influencent les processus astronomiques à grande échelle tels que la formation des atmosphères planétaires", ajoute Henning.
"Si nous devions étendre nos résultats à des régions plus froides, où l'eau est liquide, cela pourrait suggérer l'existence de mondes aquatiques dotés d'océans profonds", explique Mordasini. "De telles planètes pourraient potentiellement héberger la vie et constitueraient des cibles relativement simples pour la recherche de biomarqueurs, grâce à leur taille."
Cependant, les travaux en cours ne constituent qu’une étape importante. Bien que la distribution de taille simulée corresponde étroitement à celle observée et que l'écart de rayon soit au bon endroit, les détails présentent encore quelques incohérences. Par exemple, trop de planètes de glace se retrouvent trop près de l’étoile centrale dans les calculs. Néanmoins, les chercheurs ne perçoivent pas cette circonstance comme un inconvénient mais espèrent ainsi en apprendre davantage sur la migration planétaire.
Les observations avec des télescopes comme le télescope spatial James Webb (JWST) ou le télescope extrêmement grand (ELT) en construction pourraient également être utiles. Ils seraient capables de déterminer la composition des planètes en fonction de leur taille, fournissant ainsi un test pour les simulations décrites ici.
Les scientifiques de la MPIA impliqués dans cette étude sont Remo Burn et Thomas Henning.
Parmi les autres chercheurs figurent Christoph Mordasini (Université de Berne, Suisse [Unibe]), Lokesh Mishra (Université de Genève, Suisse [Unige] et Unibe), Jonas Haldemann (Unibe), Julia Venturini (Unige) et Alexandre Emsenhuber (Ludwig Maximilian Université de Munich, Allemagne et Unibe).
Le télescope spatial Kepler de la NASA a recherché des planètes autour d’autres étoiles entre 2009 et 2018 et a découvert des milliers de nouvelles exoplanètes au cours de son fonctionnement. Il a utilisé la méthode du transit :lorsque l'orbite d'une planète est inclinée de telle sorte que l'avion se trouve dans la ligne de visée du télescope, les planètes bloquent périodiquement une partie de la lumière de l'étoile pendant leur orbite. Cette fluctuation périodique de la luminosité de l'étoile permet une détection indirecte de la planète et la détermination de son rayon.
Plus d'informations : Un rayon de vallée entre des mondes de vapeur migrés et des noyaux rocheux évaporés, Nature Astronomy (2024). DOI :10.1038/s41550-023-02183-7
Informations sur le journal : Astronomie de la nature
Fourni par la Société Max Planck
